(57)【要約】【課題】  パージ中に発電電流が変動したとしても適切なパージ量を設定することができる燃料電池システムおよびその運転方法を提供する。【解決手段】  流量センサ３５で検出されたエア流量と、温度センサ３４で検出されたエア温度とに基づいて、パージ可能量を算出する。パージバルブ２８が開弁していると判断されたときに、電流センサ５１で検出された発電電流と、温度センサ２９で検出されたアノードオフガスの温度とに基づいて、パージ要求量を算出する。パージ中に発電電流が低下した場合には、パージ実行量がパージ可能量に至ったときにパージバルブ２８を閉じる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に対して燃料ガスを循環させる燃料ガス循環路と、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記酸化剤ガスと混合して排出する希釈手段と、
前記酸化剤ガスの流量に基づいて前記燃料電池に対するパージ量の上限値を算出するパージ可能量決定手段と、
前記燃料電池内の燃料ガスの濃度維持に必要なパージ量を算出するパージ要求量決定手段と、
前記パージ可能量決定手段または前記パージ要求量決定手段が算出したパージ量に基づいてパージ処理を実行するパージ実行手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記パージ可能量決定手段は、前記酸化剤ガスの流量を検出する流量検出手段と、前記流量検出手段が検出した流量に基づいてパージ可能量を算出するパージ可能量算出手段と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記パージ可能量決定手段は、さらに温度検出手段を備え、
前記パージ可能量算出手段は、前記酸化剤ガスの流量および前記温度検出手段で検出された温度に基づいて前記パージ可能量を算出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に対して燃料ガスを循環させる燃料ガス循環路と、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記酸化剤ガスと混合して排出する希釈手段と、制御手段と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記制御手段は、前記酸化剤ガスの流量に基づいて前記燃料電池におけるパージ量の上限値を算出し、この上限値に基づいてパージ処理を実行すること、または、前記燃料電池内の燃料ガスの濃度維持に必要なパージ要求量を算出し、このパージ要求量に基づいてパージ処理を実行することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
前記酸化剤ガスの流量を検出する流量検出手段を備え、前記制御手段は、前記酸化剤ガスの流量に基づいてパージ可能量を算出することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
温度検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記酸化剤ガスの流量および前記温度検出手段で検出された温度に基づいて前記パージ可能量を算出することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パージ時に燃料電池内の燃料ガスを所定濃度に維持する燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車などに搭載される燃料電池システムでは、水素ガス（燃料ガス）の使用効率を高めるために、燃料電池のアノード極から排出される未反応の水素を再び燃料電池に戻して循環させることが行われている。しかし、この種の燃料電池システムでは、水素を循環させているうちに燃料電池のカソード極に供給される空気（酸化剤ガス）中の窒素や、水素と酸素の電気化学反応により生成された水が、電解質膜を介してアノード極に透過し、アノード極の水素濃度が低下することで燃料電池の発電性能が低下する。このため、発電中にパージバルブを開いてアノード極内の窒素を排出する処理が行われるが、このとき水素も一緒に排出されるので、この水素を希釈器で空気と混合させて希釈して水素濃度が所定濃度を超えないようにして大気中に排出している。例えば、特許文献１では、燃料電池をパージする際のパージ量（水素排出量）は、希釈器の出口の水素濃度に基づいて制限処理を行い、水素濃度が高い場合には、パージバルブを開弁する時間を短縮するなどしてパージ量を制限している。
【特許文献１】特開２００４−５５２８７号公報（段落００２３、図２，図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の燃料電池システムでは、大気中に排出される水素濃度が所定濃度を超えないようにするために、発電電流に基づいてパージ量を算出することでパージバルブの開弁時間を制限していた。このように発電電流に基づいてパージ量を制限すると、発電電流の応答性が高いため、例えば、高負荷で発電中にパージが実行されている途中で低負荷に移行したときにパージ量が直ちに小さい値に持ち替えられて、不純物の排出が過剰に抑制されていた。その結果、燃料電池内の水素濃度の回復が充分に図れず、発電安定性が損なわれるという問題があった。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、パージ中に発電電流が変動したとしても適切なパージ量でパージすることができる燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に対して燃料ガスを循環させる燃料ガス循環路と、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記酸化剤ガスと混合して排出する希釈手段と、前記酸化剤ガスの流量に基づいて前記燃料電池に対するパージ量の上限値を算出するパージ可能量決定手段と、前記燃料電池内の燃料ガスの濃度維持に必要なパージ量を算出するパージ要求量決定手段と、前記パージ可能量決定手段または前記パージ要求量決定手段が算出したパージ量に基づいてパージ処理を実行するパージ実行手段と、を備えることを特徴とするものである。
【０００６】
本発明によれば、パージ量を酸化剤ガスの流量に基づいて制御することで、例えばパージ中に発電電流が低下したとしても、酸化剤ガスの流量の減少速度が発電電流の減少速度よりもゆるやかに変化するため、パージ量の上限値が急激に低下することがなくなり、パージ量の上限値を従来よりも高く設定することが可能になる。
【０００７】
例えば、前記パージ可能量決定手段は、前記酸化剤ガスの流量を検出する流量検出手段と、前記酸化剤ガスの流量に基づいてパージ可能量を算出するパージ可能量算出手段と、を備える。
【０００８】
これによれば、流量検出手段によって酸化剤ガスの流量を正確に検出できるので、パージ可能量を適切に算出することが可能になる。
【０００９】
また、前記パージ可能量決定手段は、さらに温度検出手段を備え、前記パージ可能量算出手段は、前記酸化剤ガスの流量および前記温度検出手段で検出された温度に基づいて前記パージ可能量を算出する構成にできる。
【００１０】
この構成によれば、さらに温度を加味してパージ可能量を算出することで、パージ可能量を高精度に算出ことが可能になる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に対して燃料ガスを循環させる燃料ガス循環路と、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記酸化剤ガスと混合して排出する希釈手段と、制御手段と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記制御手段は、前記酸化剤ガスの流量に基づいて前記燃料電池におけるパージ量の上限値を算出し、この上限値に基づいてパージ処理を実行すること、または、前記燃料電池内の燃料ガスの濃度維持に必要なパージ要求量を算出し、このパージ要求量に基づいてパージ処理を実行することを特徴とするものである。
【００１２】
本発明によれば、パージ量を酸化剤ガスの流量に基づいて制御することで、パージ中に発電電流が低下したとしても、酸化剤ガスの流量の減少速度が発電電流の減少速度よりも遅いため、パージ量の上限値を従来よりも高く設定することが可能になる。
【００１３】
例えば、前記酸化剤ガスの流量を検出する流量検出手段を備え、前記制御手段は、前記酸化剤ガスの流量に基づいてパージ可能量を算出する。
【００１４】
これによれば、酸化剤ガスの流量を正確に検出できるので、パージ可能量を適切に算出することが可能になる。
【００１５】
また、温度検出手段をさらに備え、前記制御手段は、前記酸化剤ガスの流量および前記温度検出手段で検出された温度に基づいて前記パージ可能量を算出する構成にできる。
【００１６】
この構成によれば、さらに温度を加味してパージ可能量を算出することで、パージ可能量を高精度に算出ことが可能になる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池システムおよびその運転方法によれば、パージ処理と発電電電流の変動のタイミングとが重なった場合でも、パージ量を過剰に制限せずに適切な量でパージすることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２はパージ処理を示すフローチャート、図３はパージ可能量を決定するためのマップ、図４はパージ要求量を決定するためのマップ、図５はパージ可能量の変化を示すタイムチャートである。なお、以下では、燃料電池電気自動車などの車両に搭載された燃料電池システムを例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機などに搭載された燃料電池システムにも適用できる。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣ、アノード系２０、カソード系３０、希釈系４０、ＥＣＵ５０などを備えて構成されている。
【００２０】
前記燃料電池ＦＣは、一価の陽イオン交換型の高分子電解質膜（以下、「電解質膜」という）１１の一面側をアノード極１２、他面側をカソード極１３で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、この膜電極接合体の両面を挟む導電性のセパレータ（図示せず）とから成る単セルが、複数積層された構造となっている。なお、図１では、単セルの構成を図示しているが、実際にはこの単セルを直列に複数接続した構成となっている。この燃料電池ＦＣのアノード極１２に燃料ガスとしての水素が、カソード極１３に酸化剤ガスとしての空気（酸素）がそれぞれ供給されることで、水素と酸素との電気化学反応により発電が行われる。発電によって取り出される発電電流の電流値は、電流センサ５１によって検出される。
【００２１】
前記アノード系２０は、燃料電池ＦＣのアノード極１２に水素を供給し且つアノード極１２から水素を排出するものであり、水素供給配管２１、水素排出配管２２、高圧水素タンク２３、遮断弁２４、水素循環系２５、パージバルブ２８、温度センサ２９などを備えて構成されている。
【００２２】
前記水素供給配管２１は、その一端が燃料電池ＦＣのアノード極１２の入口側ａ１に接続され、他端が高圧水素タンク２３と接続されている。水素排出配管２２は、その一端がアノード極１２の出口側ａ２に接続され、他端が希釈系４０と接続されている。
【００２３】
前記高圧水素タンク２３は、高純度の水素を非常に高い圧力（例えば、３５ＭＰａ≒３５０気圧）で充填可能な容器である。遮断弁２４は、燃料電池ＦＣへの水素の供給を遮断可能な弁であり、高圧水素タンク２３の下流側に設けられている。なお、この遮断弁２４は、高圧水素タンク２３と一体に設けられたインタンク式のものであってもよい。
【００２４】
前記水素循環系２５は、燃料電池ＦＣのアノード極１２の出口側ａ２から排出された水素を入口側ａ１に再び戻して循環させるものであり、エゼクタ２６および水素循環配管（燃料ガス循環路）２７により構成されている。エゼクタ２６は、水素供給配管２１に設けられ、水素循環配管２７は、その一端がエゼクタ２６に接続され、他端が水素排出配管２２のパージバルブ２８の上流側に接続されている。
【００２５】
前記パージバルブ２８は、水素排出配管２２の流路を遮断可能な弁であり、後記するＥＣＵ５０によって開閉動作が制御される。
【００２６】
前記温度センサ２９は、パージバルブ２８を通って排出されたアノードオフガスの温度を検出するものであり、水素排出配管２２に設けられている。
【００２７】
なお、図示していないが、前記アノード系２０には、高圧水素タンク２３から放出された高圧の水素を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。
【００２８】
前記カソード系３０は、燃料電池ＦＣのカソード極１３に空気を供給し且つカソード極１３から空気を排出するものであり、空気供給配管３１、空気排出配管３２、エアコンプレッサ３３、温度センサ３４、流量センサ３５などで構成されている。
【００２９】
前記空気供給配管３１は、その一端が燃料電池ＦＣのカソード極１３の入口側ｃ１に接続され、他端がエアコンプレッサ３３に接続されている。空気排出配管３２は、その一端がカソード極１３の出口側ｃ２に接続され、他端が希釈系４０に接続されている。
【００３０】
前記エアコンプレッサ３３は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、圧縮した空気（外気）を、空気供給配管３１を介して燃料電池ＦＣに供給するものである。なお、空気供給配管３１には、燃料電池ＦＣのカソード極１３に供給するた空気を加湿するための加湿器（図示せず）、空気排出配管３２には、カソード系３０の圧力を制御するためのエア背圧弁（図示せず）などが設けられている。
【００３１】
前記温度センサ３４は、空気供給配管３１に設けられ、エアコンプレッサ３３から供給される空気（エア）の温度を検出するものである。流量センサ３５は、空気供給配管３１に設けられ、エアコンプレッサ３３から供給される空気の流量（エア流量）を検出するものである。
【００３２】
前記希釈系４０は、希釈配管４１、希釈器４２などで構成されている。希釈配管４１は、その一端が空気供給配管３１の加湿器（図示せず）の上流側に接続され、他端が希釈器４２に接続されている。希釈器４２は、アノード極１２から排出された水素を所定値以下の水素濃度に希釈して大気中に排出するものであり、水素排出配管２２を介して排出されたアノードオフガス（水素＋窒素＋水など）と希釈配管４１を介して排出された乾燥空気とを混合し、この混合された混合ガスを、空気排出配管３２を介して排出されたカソードオフガスとさらに混合して大気中に排出するように構成されている。
【００３３】
なお、図示していないが、この燃料電池システム１には、燃料電池ＦＣが発電に伴って発生した熱を大気中に放出する冷却系が設けられている。この冷却系は、冷却媒体循環配管、ラジエタ、循環ポンプなどで構成されている。
【００３４】
前記ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェースなどで構成され、空気（エア）の流量情報に基づいてパージ可能量（パージ量の上限値）を算出するパージ可能量算出手段、水素濃度の維持に必要なパージ量（パージ要求量）を算出するパージ要求量決定手段、およびパージ処理を実行するためのパージ実行手段を備えている。
【００３５】
パージ可能量は、図３に示すマップと流量センサ３５から入力されるエア流量情報に基づいて決定される。また、図３のマップでは、一点鎖線で示すように、温度センサ３４から入力されるエアの温度（Ｔ２）情報に基づいて、パージ可能量を補正することができる。このように、温度センサ３４からの温度（Ｔ２）情報を利用することにより、パージ可能量を高精度に制御することが可能になる。
【００３６】
パージ要求量は、図４に示すマップと電流センサ５１から入力される発電電流情報に基づいて決定される。また、図４のマップでは、一点鎖線で示すように、温度センサ２９から入力されるアノードオフガス（水素＋窒素＋水など）の温度（Ｔ１）情報に基づいて、パージ要求量を補正することができる。このように、温度センサ２９からの温度（Ｔ１）情報を利用することによりパージ要求量を高精度に制御することが可能になる。
【００３７】
また、ＥＣＵ５０は、遮断弁２４、パージバルブ２８、温度センサ２９，３４、エアコンプレッサ３３、流量センサ３５、電流センサ５１と電気的に接続され、遮断弁２４およびパージバルブ２８の開閉動作、エアコンプレッサ３３のモータの回転数（回転速度）を制御し、温度センサ２９，３４からの温度情報、流量センサ３５からのエア流量情報、電流センサ５１からの発電電流情報をそれぞれ取得する。
【００３８】
次に、本実施形態の燃料電池システム１の運転動作について図２ないし図５を中心に参照しながら説明する。
運転者が車両のイグニッションスイッチをオンにすると、ＥＣＵ５０は、遮断弁２４を開弁するとともに、エアコンプレッサ３３を駆動する。これにより、高圧水素タンク２３内の水素が水素供給配管２１を介して燃料電池ＦＣのアノード極１２に供給され、エアコンプレッサ３３の駆動により、空気供給配管３１を介して、加湿器（図示せず）によって加湿された空気が燃料電池ＦＣのカソード極１３に供給される。これにより、燃料電池ＦＣ内において水素と加湿空気中の酸素とが電気化学反応することにより発電が行われ、走行モータ（図示せず）などの負荷に電力（発電電流）が供給される。
【００３９】
ところで、このようにして燃料電池ＦＣの発電が継続されると、アノード系２０では水素を循環利用していることから、カソード極１３の空気中に含まれる窒素、カソード極１３で生成された水などの不純物が、電解質膜１１を介してアノード極１２に透過し、アノード極１２内の水素濃度が低下する。その結果、燃料電池ＦＣの発電性能が低下する。このため、パージバルブ２８を必要に応じて開弁して、アノード極１２の不純物を排出するとともに、高圧水素タンク２３から新たに水素をアノード極１２に送り込むことで、アノード極１２内の水素濃度を所望の濃度に維持するようにしている。
【００４０】
以下、燃料電池ＦＣのパージ処理について説明する。図２に示すように、まず、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１（パージ可能量算出手段）で、図３に示すパージ可能量を求めるマップに基づいて、流量センサ３５から得られるエア流量と温度センサ３４から得られる温度Ｔ２とからパージ量を算出し、これをパージ可能量とする。そして、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２で、パージバルブ２８が開弁しているか否かを判断し、パージバルブ２８が開弁していない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８に進み、パージ要求量を０（ゼロ）とする。
【００４１】
また、ＥＣＵ５０は、ステップＳ２で、パージバルブ２８が開弁していると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３（パージ要求量決定手段）で、図４に示すパージ要求量を求めるマップに基づいて、電流センサ５１から得られる電流情報（電流値Ａ）と温度センサ２９から得られる温度Ｔ１とからパージ量を算出し、これをパージ要求量とする。
【００４２】
そして、ＥＣＵ５０は、ステップＳ４において、パージ要求量がパージ可能量より多いか否かを判断し、パージ要求量がパージ可能量より多いと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５で、パージ要求量をパージ可能量に置き換え、ステップＳ６で、パージ実行量がパージ可能量に達したか否かを判断する。また、ＥＣＵ５０が、ステップＳ４で、パージ要求量がパージ可能量以下であると判断した場合には（Ｎｏ）、パージ要求量をパージ可能量に置き換えずにそのままステップＳ６に進み、パージ実行量がパージ要求量に達したか否かを判断する。つまり、ステップＳ４においてパージ要求量がパージ可能量以下の場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３で算出されたパージ要求量を超えない量のパージ量が設定される。ステップＳ６では、パージ実行量がパージ可能量に至るまで、または、パージ実行量がパージ要求量に至るまでこの処理を繰り返し、パージ実行量がパージ可能量に至った場合、または、パージ実行量がパージ要求量に至った場合には、ステップＳ７でパージバルブ２８を閉弁する。
【００４３】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１の動作について、図５のタイムチャートを参照し、比較例と対比しながら詳述する。なお、図５の比較例（従来の制御）は、発電電流に基づいてパージ量を制御した場合である。
【００４４】
まず、パージ中に発電電流が変化しない場合について説明する。時刻ｔ１〜ｔ２においては、発電電流は一定であるので、エア流量によって設定されたパージ可能量（実施例）と、発電電流によって設定されたパージ可能量（比較例）は、どちらも同じとなり、パージ実行量が発電電流に基づいて設定されたパージ要求量となる。すなわち、パージバルブ２８がいずれも同じ時間開弁して、パージ実行量がパージ可能量に至った時点でパージバルブ２８を閉じてパージ処理を終了することで、パージ要求量と同じ量のアノードオフガスが排出されることとなる。
【００４５】
一方、図５の時刻ｔ３〜ｔ６では、パージ開始のタイミングと同時に発電電流が低下した場合であり、実施例では、パージ可能量がエア流量に基づいて制限され、比較例では、パージ可能量が発電電流に基づいて制限される。このように、パージ可能量をエア流量に基づいて制限することで、パージ可能量が発電電流の低下（傾き大）に比べてゆっくりと低下（傾き小）するので、パージ可能量（パージ量の上限値）を、発電電流に基づいて制限する場合と比べてより高く設定することが可能になる。すなわち、実施例では、パージバルブ２８の開弁時間がＴｍ１（時刻ｔ３〜ｔ５）となり、比較例では、パージバルブ２８の開弁時間がＴｍ３（時刻ｔ３〜ｔ４）となるので、実施例では、比較例よりも差分Δ１だけ長い時間、パージバルブ２８を開弁させておくことができる。したがって、実施例では、パージ実行量を、パージ要求量により近づけることが可能になり、その結果、パージ量が過剰に制限されるといった不都合を解消することができる。
【００４６】
また、図５の時刻ｔ７〜ｔ１０では、パージ開始後しばらく経過してからのパージ中に発電電流が低下した場合であり、前記と同様に、パージバルブ２８の開弁時間がＴｍ２（時刻ｔ７〜ｔ９）となり、比較例では、パージバルブ２８の開弁時間がＴｍ４（時刻ｔ７〜ｔ８）となるので、実施例では、比較例よりも差分Δ２だけ長い時間、パージバルブ２８を開弁させることが可能になる。したがって、この場合もパージ実行量を、パージ要求量により近づけることが可能になり、パージ量が過剰に制限されるのを防止できるようになる。
【００４７】
また、前記とは逆に、パージ中に発電電流が低負荷から高負荷に変動する場合にも、エア流量に基づいてパージ可能量を算出することにより、直ちに少量のパージ量から多量のパージ量に持ち替えられることがないので、パージ処理が過剰に行われる（パージバルブ２８が長い時間開弁する）のを防止できる。
【００４８】
なお、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、温度センサ２９，３４をどちらか一方の温度センサに統一して制御を行ってもよい。また、希釈手段の構成として、希釈配管４１を設けずに、燃料電池ＦＣのアノード極１２から排出された水素を、カソード極１３から排出されたカソードオフガス（空気＋水）のみで希釈して所定の水素濃度とした後に大気中に排出するようにしてもよい。また、前記した各マップは、一例であり、マップに替えて関数やテーブルを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】パージ処理を示すフローチャートである。
【図３】パージ可能量を決定するためのマップである。
【図４】パージ要求量を決定するためのマップである。
【図５】パージ可能量の変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
１      燃料電池システム
２６    エゼクタ
２７    水素循環配管（燃料ガス循環流路）
２８    パージバルブ
３４    温度センサ（温度検出手段）
３５    流量センサ（流量検出手段）
４１    希釈配管（希釈手段）
４２    希釈器（希釈手段）
５０    ＥＣＵ
ＦＣ    燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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